《Physics Reports》综述:量子磁子学

2022-4-28 14:55:53本站

回顾百余年的电子工业发展史,基础电子元件经历了由真空电子管到半导体晶体管、场效应管,再到大规模集成电路的演化过程。如今电子设备单位面积上的元件数量越来越多,单个元件尺寸越来越小。由于存在量子隧穿效应,元件密度难以进一步增加。此外,电子作为信息载体,其输运过程中会产生焦耳热,电子计算设备的运行和冷却需要消耗大量的能源。因此,利用自旋自由度来进行信息处理成为后摩尔时代电子学的重要发展方向,并被纳入国际半导体技术发展蓝图。近年来,对自旋波的研究成为磁学与自旋电子学的一个热点领域。

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图1:量子磁子学的研究框架。

自旋波是磁性材料中磁矩进动的集体激发,其量子化的准粒子称为磁子,每一个磁子均携带一个约化普朗克常数的自旋角动量,在具有旋转对称性的磁结构中,自旋波还可以携带轨道角动量。自旋波电子学主要研究纳米结构中的自旋波行为,以及自旋波之间或自旋波与其它磁结构和()粒子的相互作用。涡旋态自旋波可以充当一个磁镊子,对磁性准粒子进行操控;而发生在非共线磁结构中的非线性磁子散射甚至会产生自旋波频率梳,让磁子拥有精密测量的能力。这些激动人心的研究结果表明,磁子完全可以像电子和光子一样承载和传递信息。原则上,以磁子编码的信息由于损耗小,可以通过磁性绝缘体长距离传播,从而显著降低能量消耗;除此以外,磁子还具有易集成,非互易,以及高效可调等优势。另一方面,量子信息科学利用量子力学的基本原理,如量子态的叠加性和纠缠性,进行信息的编码和计算。在过去的几年里,用于量子信息处理的高品质量子比特和腔光子取得了重要突破,为磁子与量子系统的融合与集成提供了理想的物理平台,磁子与腔光子、超导量子比特、机械振子的强耦合在实验上相继被实现。自旋波电子学与量子信息科学的交叉研究正在成为一门新兴学科 量子磁子学

近日,物理学综述期刊《Physics Reports》发表了量子磁子学:自旋波电子学与量子信息科学的相遇的长篇综述文章。该综述回顾了自旋波电子学和量子信息交叉研究兴起的科学背景,梳理了量子磁子学的定义和研究框架(如图1所示),即量子磁子学是研究磁子的量子状态,以及磁子量子态与已有的量子平台相互耦合和协同发展的学科。更加广泛地讲,磁子系统的量子多体态,如玻色-爱因斯凝聚、自旋超流也包含在这个研究框架里,从而明确了量子磁子学的研究范畴,为进一步开展量子磁子学研究理清了思路。

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图2:单磁子态、压缩态、薛定谔猫态的相空间魏格纳分布(从左至右)。

在此基础上,文章分析了磁子量子态的研究现状,包括单磁子态、压缩态、薛定谔猫态(如图2所示)的物理性质、产生方式和实验探测;讨论了磁子的量子多体态,包括自旋超流和玻色-爱因斯坦凝聚等;并澄清了学界关于磁子凝聚效应中经典和量子成分的争论。接着,该综述梳理了磁子与光子系统、超导比特、缺陷比特、声子系统等量子体系相互耦合形成的复合体系的量子特性。其中对磁光耦合体系的研究也被称为腔自旋电子学,是目前量子磁子学中开展实验较多的分支之一;磁光之间的相干与耗散耦合、磁光逻辑门、非互易微波传输等现象均已被实验实现,为调控磁光信息的相互转换提供了新思路。进一步地,文章总结了量子磁子学在非厄米量子力学、信息存储、精密测量、暗物质发现等领域的应用。最后,该综述凝练了当前该领域面临的挑战和亟需解决的关键科学问题,主要包括磁子量子态的实验探测与调控、非共线磁结构里的量子激发、量子磁子学器件的制备等,并进一步展望了未来的发展方向。

该综述为人们开展自旋波电子学和量子信息科学的交叉研究理清了思路,建立了框架并奠定了关键理论基础。其中,论文对磁子量子态、离散和连续变量系统的量子纠缠等基础知识作了详细的介绍,能为初学者进入这个领域提供有益的参考;对磁子学发展现状的讨论有望吸引和激励更多的优秀学者关注和促进这个新兴领域的发展;对关键科学问题的凝练为后续开展研究工作提供了思路。总之,在量子磁子学这一新兴领域的持续努力将极大地拓展我们对自旋和信息的认识边界,有着重要的基础科学意义。

该工作受国家自然科学基金,欧盟玛丽居里项目,ERC Consolidator基金,以及西班牙科学与创新部AEI项目的资助。

文章链接:

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2022.03.002